含TLCD超高层建筑风振舒适度及其生命周期费用分析

超高层建筑高、柔,风振影响显著,工程中常需配置调频液柱阻尼器(TLCD)以减小振动、提高人居舒适度。针对在强风作用下TLCD可能存在液体运动撞击容器顶部或液面低于水平段等失效问题,进行了TLCD的抗风可靠度研究,并对超高层建筑结构-TLCD体系的生命周期费用进行了分析。采用虚拟激励法计算结构-TLCD体系在脉动风荷载下的随机风振响应;基于随机振动的首次超越破坏准则,研究结构-TLCD体系在不同风速风载下的动力可靠度;分析结构-TLCD体系的风振舒适度生命周期费用;依据生命周期费用最小原则进行投资决策,是基于性能的抗风设计的具体应用。利用该方法对某超高层建筑结构的TLCD安装与否进行了投资决策,说明了本方法的适用性。     

基于H∞理论的磁流变阻尼器半主动容错控制

建筑结构的半主动控制系统中的传感器,在强震作用下可能因出现故障而影响控制效果。以磁流变阻尼器为例,研究半主动容错控制系统的设计方法。首先,研究了基于状态观测器的半主动H∞控制器设计方法,并将之应用到建筑结构采用磁流变阻尼器的减振控制中;运用改进Bouc-Wen模型,计算磁流变阻尼器的阻尼力,通过求解一个代数Riccati方程和一个状态观测方程,得出了基于状态观测器的H∞主动控制律;再对其采用Clipped-optimal方法实施半主动控制策略。然后,针对传感器故障,利用观测器组的输出残差对故障进行在线诊断,并通过几个观测器状态值的比较得到故障的大小,并据此对传感器的测量值进行修正,从而消除故障对闭环系统的影响,最终实现半主动H∞容错控制。仿真结果表明,该方法具有很好的容错控制效果。     

透水型拦挡坝排泄孔开口参数对坝体应力场影响规律研究

基于混凝土塑性损伤模型,建立了透水型拦挡坝三维数值计算模型,根据单因素理论,通过数值计算,揭示了拦挡坝排泄孔及坝趾附近最大拉应力及Mises等效应力随排泄孔高宽比、开孔数量、开孔率及开孔位置的变化规律;并对排泄孔不同开孔率条件下拦挡坝承受的极限冲击荷载进行了研究。结果表明:(1)最大拉应力随高宽比增大先减小后增大,随开孔率及开孔数目的增大基本保持不变,随垂直距离的增大而减小。Mises等效应力随高宽比的增大先减小后增大,随垂直距离的增大而减小,随着开孔率的增大而增大,随开孔数目的增大基本保持不变;(2)开孔会降低坝体抗拉强度且随着开孔率的提高,拦挡坝坝体承受的泥石流冲击力最大值呈降低趋势。该研究成果可为透水型拦挡坝结构设计与优化提供理论指导。     

海洋平台桩腿周围局部冲刷及其对基础承载力的影响∗

在海洋平台桩靴基础安装施工过程中,容易发生穿透现象而导致破坏。业界建议可通过在桩靴周边加设向上的袖结构来抑制贯入时周围土体的回流,从而缓解穿透破坏。但这种袖结构的存在会导致局部冲刷,形成的冲刷坑会减小桩靴有效埋深,进而影响其使用期的承载力。通过一系列水槽试验,探讨了不同形式桩腿的面积比、开孔率、来流角度等因素对于冲刷坑形状的影响,进而开展了考虑冲刷坑影响的桩靴基础承载力数值计算,并与忽略最大冲刷深度以上土体的传统模型、假设冲刷坑为倒圆台状的简化模型计算结果进行了对比。主要研究结果如下：（1）加设圆形袖结构的桩腿引起的冲刷深度要比方形袖结构桩腿小,建议工程中采用面积比较小的圆形袖结构来缓解穿透破坏;（2）桩腿的面积比、开孔率、来流角度等因素对冲刷坑形状都存在影响。最大冲刷深度随着开孔率的增大而减小,当开孔率较大时,冲刷现象近似于群桩冲刷,出现随着冲刷角度的增大冲刷深度先增大后减小的现象;（3）当考虑冲刷坑对于桩靴承载力的影响时,简化模型能够合理反映冲刷坑对于桩靴基础承载力的影响。     

单跨简支梁竖向振动的磁悬浮半主动控制

由于传统的隔振器需要足够的竖向刚度来支撑上部结构,因而不能隔离竖向振动。为了解决这一问题,本文提出一种新的隔振策略,即磁浮式半主动控制方法,并将这一方法应用于弹性梁弯曲振动的半主动控制。将均质弹性梁简化为一带集中质量的简支梁,导出了控制系统的运动方程,讨论了系统在平衡点的稳定性,应用推广的Runge-Kutta方法,得到了系统在随机地面输入下的加速度响应。结果表明:杆件的初始悬浮位置是磁浮式半主动控制系统的平衡点,且平衡点是L稳定的;磁浮式半主动隔振系统具有类似于软弹簧的性质,与普通的弹性简支梁相比,磁浮式半主动振动控制系统的振动频率较低,加速度响应明显减小,系统具有良好的竖向隔振性能。     

拟负刚度阻尼减振结构的动力特性与减振效果分析

对拟负刚度阻尼减振结构的动力特性与减振效果进行了研究。首先,证明了采用拟负刚度控制方法时,结构响应与外荷载之间满足齐次性;其次,对拟负刚度阻尼减振结构的加速度放大系数和位移放大系数进行了研究,并与粘滞阻尼减振结构的加速度放大系数和位移放大系数进行了比较;最后,对地震荷载作用下拟负刚度阻尼减振结构的减振效果进行了分析。研究结果表明:当外荷载与结构的频率比大于1或结构的周期较长时,拟负刚度控制对结构绝对加速度的控制效果要好于粘滞阻尼减振结构的控制效果,对结构位移的控制效果要差于粘滞阻尼减振结构的控制效果。     

基于H_∞范数的调液阻尼器在减震控制中的参数优化

基于H∞范数,提出了偏心结构利用调液阻尼器减震控制的一种新的优化设计方法。该方法将优化目标取为从地震动到结构响应的传递函数的H∞范数,利用调液柱型阻尼器(Tuned Liquid Column Dampers,简称TLCD)和环形调液阻尼器(Circular Tuned Liquid Column Dampers,简称CTLCD)来控制偏心结构在多维地震作用下的扭转耦联振动,采用遗传算法来对阻尼器的相关参数进行优化。这种优化方法无需求解结构运动方程,所得到的阻尼器最优参数也不依赖于特定的地震动。用一个12层的偏心结构作为算例进行优化计算,结果表明,利用本文提出的优化方法所得到的阻尼器最优参数,在不同场地条件下,对偏心结构的扭转耦联振动均具有明显的减震效果。     

基于非线性能量阱的悬吊摆对输电塔-振动控制的研究

针对输电塔结构在地震作用下动力响应过大的问题,提出一种基于非线性能量阱的悬吊摆以降低输电塔的动力响应。首先利用拉格朗日方程推导了这种悬吊摆的运动方程,再以一单自由度结构为例,建立了摆式非线性能量阱—结构的动力方程,计算了摆式非线性能量阱在正弦激励下的减振效果,并对正弦激励周期、悬吊摆周期、立方刚度、质量比等参数对减振效果的影响进行了分析。最后选取一柔性输电塔为例,研究了不同地震作用下摆式非线性能量阱的减振效果,并与传统的悬吊质量摆和线性弹簧摆进行对比。结果表明,在地震作用下,摆式非线性能量阱对输电塔动力响应的峰值和均值都有较好的减振效果。     

被动式自适应悬吊质量摆对大跨空间结构振动控制的研究∗

针对悬吊质量摆在地震作用下动力响应过大而导致的大摆角频率失调问题,提出一种基于弧形支座的被动式自适应悬吊质量摆,以保证其在振动过程中周期保持恒定并应用于大跨空间结构的振动控制。首先推导出在大摆角振动中能使悬吊摆的周期保持恒定的弧形支座的数学方程,接着利用拉格朗日方程原理建立了自适应悬摆— 大跨空间结构耦合体系的运动方程。针对悬吊质量摆仅能控制结构水平振动的缺点进行改进,使其可以同时控制大跨空间结构水平和竖向的动力响应。以一单层网壳结构为例,研究了其在不同的水平和竖向地震作用下的减振效果,并与传统的悬吊摆进行对比。结果表明,改进后的自适应摆对大跨结构水平和竖向地震响应的峰值和均值都有较好的减振效果,减振率最高可达 65%,尤其是大摆角时减振效果明显优于传统的悬吊质量摆。     

大跨度钢连廊人致激励下MTMD减振控制

连廊作为人流量较大的公共通行区,跨度较大时容易发生舒适性问题,因此有必要采取减振措施来控制由于人行走激励产生的过量振动,改善结构的使用功能。文章对西安站东配楼45 m跨度钢桁架连廊进行人致振动响应计算,得出了结构在正常使用时各工况下的加速度响应情况,根据调谐质量阻尼器的减振原理设计出单频率及多频率的减振装置进行减振控制,并将结果进行对比。结果表明,连廊人致激励下的加速度响应超过舒适度限值,利用单频率TMD(Tuned Mass Damper)系统可以有效改善结构的舒适性能,减振率达81.2%,但控制频带较窄,存在去谐效应,采用多频率MTMD(Multiple TMDs)系统在保证减振效果的同时可以扩大减振频带宽度,具有更强的鲁棒性。     

半主动控制装置在受控结构中的优化布置

利用阻尼器进行振动控制的方法可以有效减小结构体系在地震作用下的振动反应,这种振动控制的效果不仅取决于阻尼器出力大小和控制算法的优化,也取决于阻尼器在高层结构中的布置位置。目前,对于阻尼器的位置优化的研究大多局限于被动控制,而对于主动及半主动控制装置研究则较少。本文提出了一种基于改进遗传算法和等效二次型性能指标的阻尼器位置优化方法,并应用到磁流变液阻尼器半主动控制系统中。最后,通过一8层剪切框架算例验证了本文提出的阻尼器的优化布置方法是简单准确而有效的。     

MR阻尼器的简化参数模型及其应用

MR阻尼器应用于控制风振、地震等引起的随机振动时需用参数化表达式来描述MR阻尼器简化的力学模型 ,从而更好地揭示MR阻尼器的减振机理。本文采用偏最小二乘法误差估计、Chebyshev多项式拟合建立了MR阻尼器简化模型的参数化表达式 ,并应用于斜拉索振动控制中 ,为合理选择MR阻尼器提供了便捷、可靠的手段     

防振锤对大跨越输电线微风振动影响的试验研究

防振锤安装方式是架空大跨越输电线路防振设计的重要问题。设计制作了防振锤-大跨越输电线体系的微风振动试验模型,研究了不同张力作用下防振锤-输电线体系的振动响应,分析了FR4型防振锤锤头朝向、FR4型和FDN型防振锤混合安装方式对大跨越导线的振动影响。试验结果表明:(1)相同激励下,安装防振锤的导线振动幅值要小于未安装防振锤的裸导线,但随着导线张力的增大,防振锤的防振频段收窄,防振效果降低;(2)FR4型防振锤对15~25Hz激励频段的防振效果较好,其大小锤头朝向对导线振动影响较大,锤头朝向不同,防振锤的防振效果不尽相同;(3)采用混合式安装防振锤的防振效果优于同型号的安装方式。     

一种新型金属变摩擦耗能器的研发与应用

基于被动控制理论,提出一种新型的金属变摩擦耗能阻尼器。通过改变金属摩擦面的摩擦面积,使摩擦系数具有随位移改变而变化的特性。在金属摩擦学理论的基础上,建立了金属变摩擦耗能器的阻尼力计算模型与产品的开发。理论计算与实验数据表明:新型金属变摩擦耗能器的减震性能显著优于常规阻尼器,避免了传统阻尼装置(如油阻尼器)存在的造价高、维护复杂、易漏油的问题;克服了常规摩擦耗能器不能在不同大小荷载作用下保持同样控制效果的缺点,能做到抗震耗能器在不同荷载下保持很好的抗震效果,真正做到"小震小位移少耗能,大震大位移多耗能"的智能控制。     

基于简化模型的MR阻尼器动力特性

按照结构减振效果位移RMS等价的原则提出的简化模型,分析了MR阻尼器的动力性能。MR阻尼器的等效粘性阻尼系数随施加电压的升高、频率的降低、振幅的减小而提高。施加电压在0～5V时,等效粘性阻尼系数变化幅度较大;达到10V后逐渐趋向饱和。低频、小振幅区域在施加的电压不为零时等效粘性阻尼系数比较稳定,而施加的电压为零时等效粘性阻尼系数随着频率和振幅的升高迅速下降。MR阻尼器可调性主要集中在高频、大振幅区域。MR阻尼器的等效刚度系数约为等效阻尼系数的0.1倍。等效刚度系数随施加电压的降低、频率的增大、振幅的增大而提高。施加电压在0～5V时等效刚度系数变化幅度较大,达到10V后逐渐趋向稳定。     

新型开孔H型钢阻尼器有限元分析

设计了分别开椭圆形孔和菱形孔的2种新型H型钢耗能器,阐述了它们的构造与耗能原理。采用有限元软件ABAQUS对开椭圆形孔、菱形孔和条形孔这3种新型耗能器的耗能性能进行数值分析,研究了开孔形状、肢宽与肢高等参数对新型耗能器耗能性能的影响。分析结果表明:新型H型钢耗能器具有饱满的滞回曲线,屈服位移较小、耗能性能稳定,耗能器的屈服位移、初始刚度和等效阻尼比随各肢钢板宽度增大(或高度减小)而增大;在开孔率相近或者肢宽相同的情况下,菱形孔H型钢耗能器的等效阻尼比要比条形孔和椭圆形孔的大,且应力分布更加均匀。     

地震作用下建筑物内重要设备半主动减震控制

为了有效地减小重要设备在地震荷载作用下的动力反应，提出了使用磁流变阻尼器进行半主动控制。首先分析了减震器的本构模型，建立了主体结构的动力方程，以设备的相对位移和相对加速度作为控制变量，提出了相应的半主动跟踪控制算法。数值分析表明，安装磁流变阻尼器的设备的加速度和相对位移显著减小，因而能保证重要设备的正常使用。     

大跨人行过街天桥利用MTMD减振控制的理论分析

大跨人行天桥的自振频率通常比较低,与人行走时的频率接近,因此行人通过天桥时容易产生竖向共振,影响天桥的正常使用。本文研究多重调谐质量阻尼(MTMD)系统对大跨人行过街天桥竖向振动的控制作用,首先建立起天桥-MTMD系统的分析模型,推导出系统的传递函数及动力放大系数的数学表达式,继而分析了TMD的数量、阻尼比和频带宽等参数对结构的动力放大系数的影响,为实际工程结构设计MTMD减振系统时提供参考。以沈阳某大跨人行天桥为例,进行MTMD优化设置后,能有效减小天桥的受迫振动和自由振动,从而将振动控制在人体的舒适度范围之内。